CN116943088B - 一种消防训练设备数字孪生方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种消防训练设备数字孪生方法及系统，该方法包括：获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型；设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟；获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化。
Description
技术领域
本发明属于消防训练设备数字孪生技术领域，更具体地，涉及一种消防训练设备数字孪生方法及系统。
背景技术
消防训练领域的数字孪生技术正在不断发展，并在消防教育和培训中发挥越来越重要的作用。数字孪生是指利用数字化技术创建的虚拟模型，它可以与现实世界中的物体、过程或系统进行交互和仿真。
但是现有技术中，并没有一种技术方案，能够对消防训练设备进行数字孪生。
发明内容
为解决以上技术特征，本发明提出一种消防训练设备数字孪生方法，包括：
获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型；
设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟；
获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化。
进一步的，所述火源传播模型为：
,
其中，V为火源传播速度，K为燃烧物质性质相关常数，T为火源温度，为环境温度，O为氧气浓度，A为火源燃烧面积。
进一步的，所述设备孪生模型为：
，
其中，R为设备响应度，E为设备类型，为火场温度，O为氧气浓度，P为消防员的操作参数，C为设备的状态，S为设备的尺寸，D为火场的结构布局，/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为非线性权重，用于调整每个参数的影响程度。
进一步的，还包括：
对设备类型E、火场温度、氧气浓度O、消防员的操作参数P、设备的状态C、设备的尺寸S和火场的结构布局D进行归一化处理。
进一步的，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化包括：当所述火源传播速度增加，所述虚拟火场温度升高，消防训练设备的所述设备响应度越高，消防训练设备越容易损坏。
本发明还提出一种消防训练设备数字孪生系统，包括：
建模模块，用于获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型；
火灾模拟模块，用于设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟；
设备孪生模块，用于获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化。
进一步的，所述火源传播模型为：
,
其中，V为火源传播速度，K为燃烧物质性质相关常数，T为火源温度，为环境温度，O为氧气浓度，A为火源燃烧面积。
进一步的，所述设备孪生模型为：
，
其中，R为设备响应度，E为设备类型， 为火场温度，O为氧气浓度，P为消防员的操作参数，C为设备的状态，S为设备的尺寸，D为火场的结构布局，/>、/>、/>、/>、/>、/>和为非线性权重，用于调整每个参数的影响程度。
进一步的，还包括：
对设备类型E、火场温度、氧气浓度O、消防员的操作参数P、设备的状态C、设备的尺寸S和火场的结构布局D进行归一化处理。
进一步的，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化包括：当所述火源传播速度增加，所述虚拟火场温度升高，消防训练设备的所述设备响应度越高，消防训练设备越容易损坏。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型；设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟；获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化。本发明通过以上技术方案，能够根据火源传播速度，获取虚拟火场中的消防训练设备的设备响应度，从而完成消防训练设备的数字孪生。
附图说明
图1是本发明实施例1的方法的流程图；
图2是本发明实施例2的系统的结构图；
图3是本发明火源传播示意图；
图4是本发明设备响应时间示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
本发明提供的方法可以在如下的终端环境中实施，所述终端可以包括一个或多个如下部件：处理器、存储介质和显示屏。其中，存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现下述实施例所述的方法。
处理器可以包括一个或者多个处理核心。处理器利用各种接口和线路连接整个终端内的各个部分，通过运行或执行存储在存储介质内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储介质内的数据，执行终端的各种功能和处理数据。
存储介质可以包括随机存储介质(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储介质(Read-Only Memory，ROM)。存储介质可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令。
显示屏用于显示各个应用程序的用户界面。
本发明公式中所有下角标只为了区分个参数，并没有实际含义。
除此之外，本领域技术人员可以理解，上述终端的结构并不构成对终端的限定，终端可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，终端中还包括射频电路、输入单元、传感器、音频电路、电源等部件，在此不再赘述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种消防训练设备数字孪生方法，包括：
步骤101，获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型，本实施例通过搜集真实世界中消防训练场所的数据，包括建筑结构、材料属性、火源位置、火势蔓延速度等，构建数字化的虚拟训练场景三维模型；
步骤102，设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟，本实施例利用火灾动力学原理和模拟算法，将数字化的虚拟训练场景三维模型与火灾行为进行模拟，包括火势蔓延、烟雾扩散等；
所述火源传播模型为：
,
其中，V为火源传播速度，K为燃烧物质性质相关常数，T为火源温度，为环境温度，O为氧气浓度，A为火源燃烧面积，在火源传播模型中，温度(T)是火场蔓延速度的一个重要影响因素，当温度升高(T增大)，火势蔓延速度会增加，意味着在较高温度的火场，火势蔓延较快，设备需要更快速的响应和更高效的灭火能力，氧气浓度(O)也是火场蔓延速度的重要因素，较高的氧气浓度(O增大)会加快火势蔓延，因此，在氧气浓度较高的火场中，火势蔓延速度会更快，要求设备具有更高的灭火效率。
步骤103，获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化，本实施例中消防员通过虚拟现实设备或计算机界面进入数字孪生中，模拟真实的消防训练场景，与虚拟环境中的物体进行交互，执行灭火、救援等任务，通过记录消防员在虚拟环境中的表现和决策，对训练效果进行评估和优化，帮助消防员改进应对策略和技巧。
所述设备孪生模型为：
，
其中，R为设备响应度，E为设备类型，本实施例E是一个离散值，例如灭火器、水枪、泡沫喷射器等不同类型的消防训练设备，不同类型的设备在火场中的响应方式和效果可能各不相同，为火场温度，本实施例T是一个实际的温度值，例如100°C，火场温度的升高会导致设备材料受热变软或损坏，影响设备的性能和稳定性，O为氧气浓度，本实施例O是一个实际的氧气浓度值，例如20%，火场氧气浓度的降低会导致设备的燃烧效率降低或失去供氧，影响设备的有效性，P为消防员的操作参数，本实施例P是消防员使用喷水器的喷射压力，例如5 bar，不同喷射压力导致水流的强弱，从而影响灭火效果和设备的使用难度，C为设备的状态，本实施例C表示设备的磨损程度，例如新设备或经过多次使用后的设备，磨损的设备可能导致性能下降，对火场的响应能力减弱，S为设备的尺寸，本实施例S表示消防训练设备的尺寸，例如小型手持式灭火器和大型消防水枪，不同尺寸的设备在灭火时有不同的灭火范围和操作灵活性，D为火场的结构布局，本实施例D表示虚拟火场的结构布局，例如狭小的走廊或宽敞的开阔区域，不同的火场结构对设备的操作和灭火策略产生影响,/>、、/>、/>、/>、 /> 和G为非线性权重，用于调整每个参数的影响程度，本发明通过最小二乘法来拟合/>、/>、/>、/>、/>、/>和G。
图3为火源传播示意图，展示了火灾蔓延速度和火场温度的关系，具体的：
x轴为温度,范围从300°C到1100°C，y轴为火势蔓延速度。
随温度增高,火势蔓延速度也会增加，符合温度升高会加速火势蔓延的事实。
图4为设备响应时间示意图，展示了火场温度和设备响应时间的关系，具体的：
设备响应时间随温度变化的曲线,当温度升高时,设备响应时间也逐渐增加，表示温度的提高会降低设备的响应效率。
两条曲线同时考虑了温度因素,显示了温度对火势蔓延速度和设备响应的影响。
实施例2
如图2所示，本发明实施例还提供一种消防训练设备数字孪生系统，包括：
建模模块，用于获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型，本实施例通过搜集真实世界中消防训练场所的数据，包括建筑结构、材料属性、火源位置、火势蔓延速度等，构建数字化的虚拟训练场景三维模型；
火灾模拟模块，用于设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟，本实施例利用火灾动力学原理和模拟算法，将数字化的虚拟训练场景三维模型与火灾行为进行模拟，包括火势蔓延、烟雾扩散等；
所述火源传播模型为：
，
其中，V为火源传播速度，K为燃烧物质性质相关常数，T为火源温度，为环境温度，O为氧气浓度，A为火源燃烧面积，在火源传播模型中，温度(T)是火场蔓延速度的一个重要影响因素，当温度升高(T增大)，火势蔓延速度会增加，意味着在较高温度的火场，火势蔓延较快，设备需要更快速的响应和更高效的灭火能力，氧气浓度(O)也是火场蔓延速度的重要因素，较高的氧气浓度(O增大)会加快火势蔓延，因此，在氧气浓度较高的火场中，火势蔓延速度会更快，要求设备具有更高的灭火效率。
设备孪生模块，用于获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化，本实施例中消防员通过虚拟现实设备或计算机界面进入数字孪生中，模拟真实的消防训练场景，与虚拟环境中的物体进行交互，执行灭火、救援等任务，通过记录消防员在虚拟环境中的表现和决策，对训练效果进行评估和优化，帮助消防员改进应对策略和技巧。
所述设备孪生模型为：
,
其中，R为设备响应度，E为设备类型，本实施例E是一个离散值，例如灭火器、水枪、泡沫喷射器等不同类型的消防训练设备，不同类型的设备在火场中的响应方式和效果可能各不相同，为火场温度，本实施例T是一个实际的温度值，例如100°C，火场温度的升高会导致设备材料受热变软或损坏，影响设备的性能和稳定性，O为氧气浓度，本实施例O是一个实际的氧气浓度值，例如20%，火场氧气浓度的降低会导致设备的燃烧效率降低或失去供氧，影响设备的有效性，P为消防员的操作参数，本实施例P是消防员使用喷水器的喷射压力，例如5 bar，不同喷射压力导致水流的强弱，从而影响灭火效果和设备的使用难度，C为设备的状态，本实施例C表示设备的磨损程度，例如新设备或经过多次使用后的设备，磨损的设备可能导致性能下降，对火场的响应能力减弱，S为设备的尺寸，本实施例S表示消防训练设备的尺寸，例如小型手持式灭火器和大型消防水枪，不同尺寸的设备在灭火时有不同的灭火范围和操作灵活性，D为火场的结构布局，本实施例D表示虚拟火场的结构布局，例如狭小的走廊或宽敞的开阔区域，不同的火场结构对设备的操作和灭火策略产生影响，/>、、/>、/>、/>、F和G为非线性权重，用于调整每个参数的影响程度。
图3为火源传播示意图，展示了火灾蔓延速度和火场温度的关系，具体的：
x轴为温度,范围从300°C到1100°C，y轴为火势蔓延速度。
随温度增高,火势蔓延速度也会增加，符合温度升高会加速火势蔓延的事实。
图4为设备响应时间示意图，展示了火场温度和设备响应时间的关系，具体的：
设备响应时间随温度变化的曲线,当温度升高时,设备响应时间也逐渐增加，表示温度的提高会降低设备的响应效率。
两条曲线同时考虑了温度因素,显示了温度对火势蔓延速度和设备响应的影响。
实施例3
本发明实施例还提出一种存储介质，存储有多条指令，所述指令用于实现所述的一种消防训练设备数字孪生方法。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以位于计算机网络中计算机终端群中的任意一个计算机终端中，或者位于移动终端群中的任意一个移动终端中。
可选地，在本实施例中，存储介质被设置为存储用于执行实施例1方法的程序代码。
实施例4
本发明实施例还提出一种电子设备，包括处理器和与所述处理器连接的存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行一种消防训练设备数字孪生方法。
具体的，本实施例的电子设备可以是计算机终端，所述计算机终端可以包括：一个或多个处理器、以及存储介质。
其中，存储介质可用于存储软件程序以及模块，如本发明实施例中的一种消防训练设备数字孪生方法，对应的程序指令/模块，处理器通过运行存储在存储介质内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的一种消防训练设备数字孪生方法。存储介质可包括高速随机存储介质，还可以包括非易失性存储介质，如一个或者多个磁性存储系统、闪存、或者其他非易失性固态存储介质。在一些实例中，存储介质可进一步包括相对于处理器远程设置的存储介质，这些远程存储介质可以通过网络连接至终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
处理器可以通过传输系统调用存储介质存储的信息及应用程序，以执行实施例1方法步骤；
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本发明所提供的几个实施例中，应所述理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者所述技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，所述计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储介质(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储介质(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种消防训练设备数字孪生方法，其特征在于，包括：
获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型；
设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟，其中，所述火源传播模型为：
，
其中，V为火源传播速度，K为燃烧物质性质相关常数，T为火源温度，为环境温度，O为氧气浓度，A为火源燃烧面积；
获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化，其中，所述设备孪生模型为：
,
其中，R为设备响应度，E为设备类型，为火场温度，O为氧气浓度，P为消防员的操作参数，C为设备的状态，S为设备的尺寸，D为火场的结构布局，/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为非线性权重，用于调整每个参数的影响程度，其中，当所述火源传播速度增加，所述虚拟火场温度升高，消防训练设备的所述设备响应度越高，消防训练设备越容易损坏。
2.如权利要求1所述的一种消防训练设备数字孪生方法，其特征在于，还包括：
对设备类型E、火场温度、氧气浓度O、消防员的操作参数P、设备的状态C、设备的尺寸S和火场的结构布局D进行归一化处理。
3.一种消防训练设备数字孪生系统，其特征在于，包括：
建模模块，用于获取消防训练场所的场所数据，根据所述场所数据，构建消防训练场所的虚拟化三维模型；
火灾模拟模块，用于设置火源传播模型，计算火源传播速度，将所述火源传播速度与所述虚拟化三维模型相融合，形成虚拟火场，进行火灾模拟，其中，所述火源传播模型为：
,
其中，V为火源传播速度，K为燃烧物质性质相关常数，T为火源温度，为环境温度，O为氧气浓度，A为火源燃烧面积；
设备孪生模块，用于获取消防训练设备的设备信息，并根据所述设备信息，将消防训练设备进行虚拟化，设置设备孪生模型，计算每个消防训练设备的设备响应度，用以描述消防训练设备的设备响应度随着所述火源传播速度的变化而变化，其中，所述设备孪生模型为：
,
其中，R为设备响应度，E为设备类型，为火场温度，O为氧气浓度，P为消防员的操作参数，C为设备的状态，S为设备的尺寸，D为火场的结构布局，/>、/>、/>、/>、/>、/>和为非线性权重，用于调整每个参数的影响程度，其中，当所述火源传播速度增加，所述虚拟火场温度升高，消防训练设备的所述设备响应度越高，消防训练设备越容易损坏。
4.如权利要求3所述的一种消防训练设备数字孪生系统，其特征在于，还包括：
对设备类型E、火场温度、氧气浓度O、消防员的操作参数P、设备的状态C、设备的尺寸S和火场的结构布局D进行归一化处理。
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